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1、4 保水开采技术,4-1 概述4-2 水体下采煤4-3 承压含水层上采煤4-4 矿井水的资源化利用,4-1 概述,一、保水开采技术体系二、保水开采的若干问题,一、保水开采技术体系,保水开采就是在采煤的过程中对地下水资源进行保护并对矿井排水进行资源化利用。转变传统矿井水害防治理念：将“治水”变“保水”、“排水”变“采水”，强调对矿区水资源的保护和利用。,煤炭开采过程中，人为疏干排水和采动形成的导水裂隙对煤系含水层的自然疏干，破坏了地下水资源，造成区域含水层水位下降，形成大规模地下水降落漏斗，直接影响到区域水文地质条件。开采产生的地表变形往往影响到地表水体(河流、湖泊、井泉等)，从而使部分沟泉水量
2、减少甚至干涸，影响当地居民正常的生产生活，进而影响区域植被生长，甚至土地沙漠化。这一问题在西部缺水地区显得尤为突出。,二、保水开采的若干问题,煤矿突水造成重特大伤亡事故,我国煤矿生产中的重特大事故仍然十分严重，突水列瓦斯灾害之后排第二位。我国60%的矿区为石碳二叠纪煤田,其中80%受到严重的突水危险。,陷落柱突水实例,开滦范各庄煤矿2171 工作面发生特大陷落柱突水,造成全矿被淹，最大突水量达2053 m3/min，为目前世界上水量最大的突水。,陷落柱,富含水层,工作面,采动裂隙直接导通含水层突水实例,广东兴宁大兴煤矿，下层煤开采时，采动裂隙扩展破坏了上层煤开采所留设的防水煤柱，导致特大突水，
3、死亡123人。,含水层,上工作面,下工作面,煤柱,采动裂隙,20002007年煤矿重特大突水死亡事故,煤矿水灾对企业造成严重的经济损失,过去20年间，有250多对矿井被水淹没，直接经济损失高达350多亿元。突水造成的煤矿经济损失列各类事故之首。,近年来，矿井突水灾害呈不断上升趋势，近5年所发生的矿井突水事故比前10年的总和还多。,随着矿井水文地质条件的复杂化，突水事故还会越来越严重。,近年来矿井突水灾害越来越严重,传统治水忽视了水的资源性，主要采用“排水降压”、“疏干”等方法。2007年排出矿井水60多亿m3，只利用25%左右，造成矿区水源枯竭、水与生态环境的破坏。,树立治水与保水并重的理念,
4、我国每年采煤破坏地下水22亿m3/a。山西省通过对5403个煤矿排水量的统计，平均开采1t煤炭，矿井排水0.87t，使本来缺水的山西环境受到进一步破坏。如晋祠泉在1954年的流量为2m3/min，由于晋祠泉域内西山煤田的大规模开采，泉水流量逐渐减少，于1994年5月断流。,由于煤矿开采破坏地下水而引起当地居民失去饮用水源的情况在媒体上也时有报道。以山西为例，采煤破坏地下水4.2亿m3/a，导致井水位下降或断流共计3218个，影响水利工程433处，水库40座，输水管道793890m；造成1678个村庄、812715口人、108241头牲畜饮水困难。使本来缺水的山西环境受到进一步破坏。,（1）应该
5、明白保水开采与防止溃水是两个概念，后者是从安全考虑，原来研究的开采形成的三带及其计算公式都是从安全开采总结的经验算法,它不适用于保水开采，而保水开采则必须研究开采前后岩层的水文地质变化。（2）在我国西北地区必须研究所开采的岩层是否有隔水带，开采对地下水的破坏形成的漏斗以及在降雨水后的恢复过程。也就是开采对隔水带的破坏与重新恢复的条件。开采对岩层裂隙以及地形的改变,由此对地表水以及地下水迳流的影响，甚至要研究再造隔水带的可能。（3）地下水是全部流失?还是保存在更深的岩层内形成地下水库而后再利用。,保水开采技术的几点说明,4-2 水体下采煤,一、水体下采煤的影响因素二、水体下采煤的理论依据三、水体
6、下采煤的方式四、水体下采煤的安全煤岩柱留设五、水体下采煤的技术措施六、水体下采煤的工程实例,地表水体：积聚在江、海、河、湖、水库、沼泽、水渠、坑、塘和塌陷区中的水 地下水体：积聚在岩石和松散层空隙中的水 松散层水体 第四纪和第三纪松散层中的含水 基岩含水层水体 砂岩、砾岩、砂砾岩及石灰岩岩溶含水层水体 采空区积水孔隙水、裂隙水及岩溶水,（一）水体的类型,一、水体下采煤的影响因素,水体类型,隔水层导水性能很差的岩层导水层含水层隔水性和导水性能取决于颗粒大小和矿物成份（主要取决于粘土的含量）,颗粒愈细，隔水性能愈好粉土 0.005mm砂 0.052mm砾 2mm,（二）覆岩的隔水性,煤岩的隔水和导
7、水性能,隔水性 粘土的含量（%）良好 30弱 1130 差 10,煤岩的隔水和导水性能,砂砾 含水且导水，导水性能好节理裂隙 含水且导水断层、陷落柱 导水或不导水垮落带、裂隙带 导水煤 开采前为隔水层，开采后不易风化、泥化，是导水层或弱导水层,煤岩的隔水和导水性能,二、水体下采煤的理论依据,1、“三带”理论对于地面水体、松散层底部和基岩中的强、中含水层水体、要求保护的水源等水体，不容许导水断裂带波及；对于松散层底部的弱含水层水体，允许导水断裂带波及；对于厚松散层底部为极弱含水层或可以疏干的含水层，允许导水断裂带进入，同时允许垮落带波及。,水体下采煤的理论依据,2、隔水关键层理论水体底面与煤层之
8、间应有相应厚度的隔水层，才能实现水体下安全采煤。一定厚度的泥岩和粘土层是水体下安全采煤的良好隔水层。,突水,水源,隔水关键层,天然构造,采动裂隙,突水通道,隔水关键层理论,三、水体下的采煤方式,水体下采煤的主要对策是隔离和疏降（一）顶水采煤对水体不处理，直接在水体下方采煤，水体与煤层之间保留一定厚度或垂高的安全煤岩柱。顶水采煤适应条件：水量大、补给充足、水体距开采煤层较远,（二）疏水采煤,利用排水系统，开掘疏水巷道或钻孔，疏降上部水体，再在水体下方采煤。先疏水后采煤 水量有限可以预先疏 干小窑积水、采空区积水边疏水边采煤 水量不太大，而水体的 分布范围很大,（三）顶疏结合采煤,受多种水体或多层
9、含水层水体威胁间距大于导水断裂带高度的水体，顶水采煤；间距在垮落带和导水断裂带范围内的水体，疏水采煤。顶水和疏水取决于水体与煤层的间距和水体的类型,单纯的地表水（河流、水库、湖泊）难疏干，顶水采煤，留防隔水煤岩柱。单纯的松散含水层水体 冲积层中的水 一般顶水采煤，留防隔水煤岩柱冲积层厚度愈大，水源补给愈丰富，离煤层愈近，威胁愈大。,砂层砂砾,水体下采煤,单纯的基岩含水层水体 砂岩水 孔隙水 砾岩水 裂隙水 石灰岩水 岩溶水对水体的处理取决于煤层至水体的距离，高于断裂带时，顶水采煤；低于断裂隙带，疏水采煤。,水体下采煤,地表水+松散含水层水松散含水层水+基岩水 地表水+松散含水层水+基岩水 采煤
10、方法由具体情况而定隔水层的厚度隔水层的性能水体至煤层的距离采厚水量大小水源,水体下采煤,（四）堵截水源与疏水结合采煤,采用粘结性材料注入含水层的孔洞中，形成地下挡水帷幕，切断水的补给通道，然后疏水采煤。条件：含水层厚度较小、补给通道集中、水文地质条件清楚，具备可靠隔水边界,四、水体下采煤的安全煤岩柱留设,（一）水体的采动等级及允许采动程度级 不允许导水断裂带波及到水体 级 允许导水断裂带波及松散孔隙弱含水层水体，但不允许垮落带波及该水体 级 允许导水断裂带进入松散孔隙弱含水层，同时允许垮落带波及该弱含水层水体,级水体采动等级允许采动程度,级水体采动等级允许采动程度,级水体采动等级允许采动程度,
11、（二）安全煤岩柱的留设方法,留设安全煤岩柱的实质是确定开采上限，保证断裂带或垮落带不波及水体1、防水安全煤岩柱目的：不允许导水断裂带波及到水体结果：避免上覆水体涌入井下，并要使矿井涌水量不明显增加。,地表有松散覆盖层 时的防水安全煤岩柱留设,HshHd+Hb,地层上部无松散层覆盖，且采深较小时的防水安全煤岩柱,HshHd+Hb+Hbi,基岩风化带也含水时的防水安全煤岩柱,HshHd+Hb+Hfe,2、防砂安全煤岩柱,目的：是允许导水断裂带波及松散弱含水层或已疏降的松散层强含水层，但不容许垮落带接近松散层底部 结果：泥砂不会溃入井下，矿井涌水量会略有增加，或只是短时间增加。,防砂安全煤岩柱,Hs
12、=Hk+Hb,3、防塌安全煤岩柱,防塌煤岩柱松散层底界面与煤层开采上限之间为防止泥砂塌入采空区而保留的煤和岩体目的：防止上覆弱含水层和粘土层塌入井下,防塌安全煤岩柱的垂高应等于或接近于垮落带的最大高度,垮落带高度公式（倾角为054，厚煤层分层开采）,导水断裂带高度计算公式（倾角为035及3654）（单一薄及中厚煤层或厚煤层分层开采）,垮落带及导水断裂带高度(倾角为5590),注：h区段或分段垂高，m；M煤层法线厚度，m。,4、安全煤岩柱保护层厚度,位于导水断裂带上边界或垮落带上边界与水体底界面之间的岩层,注：A=M/n，M-累计采厚，m；n-分层层数；本表不适用于综放开采,054煤层防水安全煤
13、岩柱保护层厚度/m,054煤层防砂安全煤岩柱保护层厚度（m）,注：A=M/n，M-累计采厚，m；n-分层层数；本表不适用于综放开采,5590煤层防水安全煤岩柱及防砂安全煤岩柱保护层厚度,a 松散层底部粘性土层大于累计采厚b 松散层底部粘性土层小于累计采厚c 松散层全厚为小于累计采厚的粘性土层d 松散层底部无粘性土层,五、水体下采煤的技术措施,（一）水体下采煤的井下安全技术措施 试探开采 先远后近（水体）先厚后薄（隔水层）先简单后复杂（地质条件）先较深后较浅（煤层）,水体下采煤的井下安全技术措施,分区隔离开采 采区四周均设防水隔离煤柱 绕道和石门内设永久性的防水闸门 全部充填法开采、部分开采和分
14、层间歇开采 降低覆岩破坏高度 坚持有疑必探，先探后采的原则 正确设计防水隔离煤柱 防水、防砂和防塌安全煤岩柱 采区间的防隔水煤柱 断层和陷落柱防隔水煤柱,（二）水体下采煤的地面措施,切断和改变地面补给水源河流改道河流铺底建立上游水库筑拦洪坝修拦洪沟填渗水裂缝架渡槽设围沟排除内涝,（三）水体下采煤的探测,富水区的探测构造的探测导水裂隙带的探测,六、水体下采煤工程实例,神东矿区保水采煤大型地面水体下采煤第四纪松散承压含水层下采煤老采空区水害防治,龙口矿区北皂煤矿海域下首采面是我国第1个海域下采煤工作面,也是世界上第1个海域下综放开采工作面。该矿位于龙口矿区西北部，滨临渤海，其海域扩大区处于井田北部
15、渤海海域内，矿区海域煤田是陆地煤田的延伸。海域下首采面H2101工作面位于海域暗斜井以东(见图1)，处于海域下首采区煤层埋深最大的块段。,北皂矿海域下综放开采,图1 海域下首采面位置布置,渤海,H2101面,渤海边界,暗斜井,首采面走向长度为530m左右，倾斜长度为150m，开采煤层为煤2，煤层平均厚度4.5 m左右，倾角为04.6，硬度系数f=1.5。首采面范围内海水深度为35m,第四系厚度为95110m,Q+N地层大部分厚度小于150m，仅局部厚度大于150m。煤2上距Q+N地层底界距离为110115m，最大采深为350m左右(见右图)。,含水地层,含煤地层,Q+N含（隔）水层存在于第四系
16、地层中，第四系自上而下可分为I含、I隔和II含，为二含一隔结构。I含为上部砂层，富水性中等至强；II含为中、下部砂层黏土质含量较高，富水性中等；I隔位于I含、II含之间，厚度大于3m，全区分布稳定，岩性为隔水性能良好的黏土、砂质黏土，为良好的隔水层，在垂向上可以完全阻隔I含、II含之间的水力联系。海域内钻孔揭露Q+N厚度为，平均98.16m，上第三系(N)岩性以黏土岩为主。由于下第三系(E)地层上部有较厚的泥质岩类隔水层组阻隔，因此，Q十N含水层水对海域下首采面开采无直接影响。,Q+N含（隔）水层对开采的影响,小浪底水库下采煤,地下水渗流场演化特征,有效隔水层及其结构,水体下安全开采评价模型,
17、小浪底水库下安全采煤区域,小浪底水库下采煤,三个工作面试采成功形成大型水库下采煤的范例对解放我国25亿吨以上的水下压煤有重要意义,开采后，随着地表的沉陷将改变地表水的流向，同时随着上覆岩层中关键层的破断，在该区域内地下水将形成下降漏斗。地下水位的能否恢复，则决定于，随着工作面的推进，上覆岩层中有否软弱岩层(事实上它是研究地下水渗漏的关键层）经重新压实导致裂隙闭合而形成隔水带。若有隔水带，则随着雨水的再次补给，下降漏斗也将随之消失。而它对地面生态的影响则决定于漏斗形成与消失的时间间隔。,黄县煤矿副井西翼1201工作面观测孔布置,黄县煤矿在进行含水砂层下采煤试验中，曾在长壁全部垮落采煤法工作面上方
18、的冲积层和基岩内布置一组观测钻孔，(岩层在-14米以上为砂岩；砂质黏土以及表土层）在回采前后及整个回采过程中进行了为期一年的水位观测。,图 黄县煤矿副井西翼1201工作面观测孔水位动态曲线,表5-1 黄县煤矿1201工作面观测孔水位动态,图5-7 1#孔水位变化曲线,水位下降是暂时的,图5-8 3#孔水位变化曲线,水位已经下降但还有恢复的可能,陕西煤田地质局对大柳塔开采的观测也有同样的结果：发现在初次放顶后水位迅速下降，而后曾经一度回升，但随着回采面积的扩大，逐渐下降，最终稳定在基岩界面附近。地下水位下降10-12米另外，对神华地区，水流与基岩界面有关，而开采将直接影响基岩地形的变化，从而影响水流的集聚与流向。,水位已没有恢复的可能,图 6#孔水位变化曲线,图 钻孔已堵塞，“”表示工作面过钻孔的位置,1号孔水位无变化，2、3、4、5号孔水位发生了短暂的变化，但始终保持孔中有水位。6号孔（孔底离开采层10米）内的水全部漏失。上述结果说明，由于有隔水层1号孔水位有2-3米的变化，而对于其他各孔则有10-16米变化以致全部漏失，而且经过一年的观察水位并没有回升也没有再漏失。6号孔全部漏失是否与当时离冒落带太近，以及观察时间太短，岩层尚未压实有关。显然，与钻孔所到开采层上覆岩层是否重新压实有关。另外还应该进一步观察水位变化对地表生物根系的影响。,主要观测结论,
